Forskare har utvecklat en liten ny maskin som omvandlar laserljus till arbete. Dessa optiskt drivna maskiner monteras själv och kan användas för nanoskala-manipulering av liten last för applikationer som nanofluidik och partikelsortering.

"Vårt arbete tar upp ett mångårigt mål i nanovetenskapssamhället att skapa självmonterade nanoskala-maskiner som kan utföra arbete i konventionella miljöer som vätskor vid rumstemperatur, "sa forskargruppens ledare Norbert F. Scherer från University of Chicago.

Scherer och kollegor beskriver de nya nanomaskinerna i Optica . Maskinerna är baserade på en typ av materia som kallas optisk materia där metallnanopartiklar hålls samman av ljus snarare än de kemiska bindningarna som håller ihop atomerna som utgör typiskt material.

"Både energin för att montera maskinen och kraften för att få den att fungera kommer från ljus, "sa Scherer." När laserljuset väl introducerats i en lösning som innehåller nanopartiklar, hela processen sker på egen hand. Även om användaren inte behöver aktivt styra eller styra resultatet, detta kan lätt göras för att skräddarsy maskinerna för olika applikationer. "

Skapa optisk materia

I optisk materia, ett laserljusfält skapar interaktioner mellan metallnanopartiklar som är mycket mindre än ljusets våglängd. Dessa interaktioner får partiklarna att självmontera till ordnade matriser. Detta är en liknande princip för optisk fångst, i vilket ljus används för att hålla och manipulera partiklar, biologiska molekyler och celler.

I tidigare arbeten, forskarna upptäckte att när optisk materia exponeras för cirkulärt polariserat ljus, den roterar som en stel kropp i riktningen motsatt polarisationsrotationen. Med andra ord, när det infallande ljuset roterar ett sätt reagerar den optiska materiens array genom att snurra det andra. Detta är en manifestation av "negativt vridmoment". Forskarna spekulerade i att en maskin skulle kunna utvecklas baserat på detta nya fenomen.

I det nya arbetet, forskarna skapade en optisk materia som fungerar ungefär som en mekanisk maskin baserad på förreglingar. I sådana maskiner, när en växel vrids, en mindre förregling kommer att snurra i motsatt riktning. Den optiska materiemaskinen använder cirkulärt polariserat ljus från en laser för att skapa en nanopartikeluppsättning som fungerar som den större växeln genom att snurra i det optiska fältet. Detta "optiska material" omvandlar det cirkulärt polariserade ljuset till orbital, eller kantig, moment som påverkar en närliggande sondpartikel för att kretsa kring nanopartiklarna (växeln) i motsatt riktning.

Bestämning av effektivitet

Forskarna tillverkade två maskiner baserade på denna design med laserljus med en våglängd på 600 nanometer och nanopartiklar på bara 150 nanometer i diameter i vatten. De fann att med hjälp av en utrustning gjord av åtta nanopartiklar skapades en mer effektiv maskin än en sju-nanopartiklar, tyder på att maskinens effektivitet kan ändras genom att bygga olika växlar.

"Vi tror att det vi visade, med ytterligare förfining, kommer att vara användbart inom nanofluidik och partikelsortering, "sa John Parker, doktorand och första författare. "Våra simuleringar visar att en mycket större maskin gjord av många fler partiklar borde kunna utöva mer kraft till sonden, så det är en aspekt av förfining som vi förväntar oss att fortsätta. "

Forskarna experimenterar nu med att tillverka maskiner med många fler partiklar eller med partiklar av olika material. Maskinens användbarhet kan också förbättras genom att skapa mönstrade redskap där nanopartiklarna är orörliga. Detta skulle göra det möjligt att optiskt adressera och kombinera flera växlar för att göra en mer komplex maskin.